DE19927031A1

DE19927031A1 - Strombegrenzungseinrichtung mit Hochtemperatur-Supraleiter

Info

Publication number: DE19927031A1
Application number: DE19927031A
Authority: DE
Inventors: Joachim Niewisch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2000-12-07
Also published as: WO2000076048A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Strombegrenzungseinrichtung mit einem Hochtemperatur-Supraleiter, der in einem mit flüssigem Stickstoff gefüllten Kryostat untergebracht ist, wobei die Strombegrenzungseinrichtung in einem Leitungsnetz zur Energieversorgung und -verteilung, insbesondere im Mittelspannungsbereich, in Reihe mit einem Schaltgerät angeordnet ist, das zur Unterbrechung der Spannungsversorgung im Überstrombereich durch ein Auslösesignal steuerbar ist. DOLLAR A Dem Hochtemperatur-Supraleiter (SL) ist eine Leuchtdiode (LD) parallel geschaltet, die mit einem Vorwiderstand (RV) und ggf. einem Doppelweggleichrichter (DG) eine Reihenschaltung bildet, wobei DOLLAR A das optische Signal (ES) der Leuchtdiode (LD) über einen Lichtwellenleiter (LWL) einer Photodiode (PD) übertragen wird und DOLLAR A die Photodiode (PD) einen nachgeschalteten Transimpedanzverstärker (IV) im Überstrombereich derart beeinflußt, daß dieser das Auslösesignal (AS) für das Schaltgerät (SG) generiert. DOLLAR A Derartige Strombegrenzungseinrichtungen werden in Leitungsnetzen der Energieversorgung und -verteilung als Sicherungselemente bei Überströmen eingesetzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strombegrenzungseinrich tung mit einem Hochtemperatur-Supraleiter, der in einem mit flüssigen Stickstoff gefüllten Kryostat untergebracht ist, wobei die Strombegrenzungseinrichtung in einem Leitungsnetz zur Energieversorgung und -verteilung, insbesondere im Mit telspannungsbereich, in Reihe mit einem Schaltgerät angeord net ist, das zur Unterbrechung der Spannungsversorgung im Überstrombereich durch ein Auslösesignal steuerbar ist. Strombegrenzungseinrichtungen der eingangs definierten Art sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. So ist bei spielsweise durch die EP 0 406 636 A1 ein resistiver Strombe grenzer offenbart, der in einer Leitung eines Energieversor gungsnetzes in Reihe mit einem Schaltgerät angeordnet ist, das beim Überstrom im Kurzschlußfall den Stromfluß begrenzt. Eine der wesentlichen Anforderungen besteht in diesem Zusam menhang darin, die Übergangsphase vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand des Hochtemperatur-Supra leiters mit möglichst geringer Zeitverzögerung zu erfassen, um dem Schaltgerät, beispielsweise bei einem Kurzschluß, rechtzeitig das Auslösesignal zur Unterbrechung der Energie versorgung und -verteilung zu übertragen. Im vorliegendem Fall ist der Hochtemperatur-Supraleiter hier von einer Spule umgeben, die mittels Triggerimpulse den Übergang des Hochtem peratur-Supraleiters vom supraleitenden in den normalleiten den Zustand beschleunigt bewirkt.

Darüber hinaus ist durch die EP 0 353 449 B1 ein induktiver Strombegrenzer bekannt, bei dem um einen dünnwandigen, aus Hochtemperatur-Supraleiter Material bestehenden, Zylinder ei ne konventionelle Drosselspule bzw. Induktionsspule mit Ei senkern als limitierendes Element ebenfalls in Reihenschal tung, d. h. im Strompfad des zu begrenzenden Stromes, ange ordnet ist. Im Normalbetrieb, also bei Strömen unterhalb des Überstrombereiches, ist der dünnwandige Zylinder im supralei tenden Zustand und schirmt damit das Magnetfeld der Spulen wicklung vollständig vom Eisenkern ab. Die Induktivität ist daher niedrig.

Im Überstrombereich, also im Kurzschlußfall, schaltet das Ma gnetfeld der Spulenwicklung die Supraleitung im Zylinder aus, so daß sich der induktive Strombegrenzer praktisch wie eine konventionelle Drosselspule verhält und damit den Kurzschluß strom entsprechend begrenzt.

Die Steuerungsmechanismen für diese Strombegrenzer sind wegen der unterschiedlichen Strom- und Spannungsverhältnisse in den Energieversorgungsnetzen aufwendig und müssen sehr genau auf einander abgestimmt sein.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, den Quenchzustand der supraleitenden Strombegrenzer, also deren Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand, weitestgehend verzögerungsfrei mit geringem apparativen Auf wand auch für die unterschiedlichen Strom- und Spannungsver hältnisse in den Leitungsnetzen der Energieversorgung und - verteilung zu erfassen und die Auslösesignale verzögerungs frei für die Schaltgeräte bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale

1. dem Hochtemperatur-Supraleiter ist eine Leuchtdiode par- allel geschaltet, die mit einem Vorwiderstand eine Rei henschaltung bildet,
2. das optische Signal der Leuchtdiode wird über einen Lichtwellenleiter einer Photodiode übertragen,
3. die Photodiode beeinflußt einen nachgeschalteten Trans impedanzverstärker im Überstrombereich derart, daß die ser das Auslösesignal für das Schaltgerät generiert.

Als erfindungswesentlich ist anzusehen, daß mit der Anwendung von optischen Übertragungseinrichtungen zur Erkennung und Auswertung elektrischer Zustandsveränderungen praktisch ein "Faseroptischer Quenchdetektor" eingesetzt ist, mit dem ein sehr schnelles Ansteuern des Schaltgerätes zur Unterbrechung der Leitungsnetze im Kurzschlußfall erreicht ist.

Schon ein geringer Spannungsanstieg ist in entsprechend kur zer Zeit mit der erfinderischen Strombegrenzereinrichtung de tektierbar und mittels des Transimpedanzverstärkers als Aus lösesignal für das Schaltgerät generiert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Merkmal

1. die Reihenschaltung enthält einen Doppelweggleichrichter, vorgesehen.

Dadurch können "faseroptische Quenchdetektoren" in einfacher Bauweise auch für die üblichen Wechselspannungs-Energiever sorgungsnetze zur Strombegrenzung eingesetzt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Merkmale

1. die Leuchtdiode ist durch zwei antiparallel geschaltete Leuchtdioden realisiert,
2. die Photodiode ist durch zwei parallel geschaltete Pho todioden realisiert,
3. die antiparallel geschalteten Leuchtdioden sind mit den parallel geschalteten Photodioden jeweils über separate Lichtwellenleiter verbunden, vor.

Mit dem Einsatz der zwei antiparallel geschalteten Leucht dioden können beide Halbwellen des Stromes erfaßt und über die separaten Lichwellenleiter den parallel geschalteten Pho todioden als Eingangssignal zugeführt werden. Der Übergang vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand des Hochtemperatur-Supraleiters kann somit in der Zeit einer Halbwelle ermittelt und entsprechend ausgewertet werden. Bei entsprechend angepaßter Empfangsschaltung stehen darüber hin aus vorzeichenrichtige Eingangssignale zur Verfügung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Merkmal

1. die Reihenschaltung ist außerhalb des Kryostats angeord net, vorgesehen.

Die Leuchtdiode, der Vorwiderstand und ggf. der Doppelweg gleichrichter sind also nicht im Medium des flüssigen Stick stoffes untergebracht, so daß einerseits keine temperaturbe dingten Beeinflussungen zu berücksichtigen sind und anderer seits lediglich der Hochtemperatur-Supraleiter mit seinen elektrischen Anschlüssen aus dem Kryostat herausgeführt ist. Alternativ dazu ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Merkmal

1. die Reihenschaltung ist innerhalb des Kryostats angeord net, vorgesehen.

Bei geeigneter Auswahl der Leuchtdioden, der Vorwiderstände und ggf. der Doppelweggleichrichter können diese auch direkt in unmittelbarer Nähe des Hochtemperatur-Supraleiters im Kryostat untergebracht sein, womit sich hinsichtlich der De tektierung des Quenchzustandes des Hochtemperatur-Supralei ters, also der Feststellung des Übergangs vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand, wegen der verkürzten Leitun gen weitere Verbesserungen bezüglich der erzielbaren Reakti onsgeschwindigkeiten ergeben.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Merkmale

1. der Hochtemperatur-Supraleiter ist aus mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten supraleitenden Segmenten gebildet,
2. die supraleitenden Segmente sind jeweils mit einem die Leuchtdioden und die Lichtwellenleiter aufnehmenden fa seroptischen Sensorkopf leitungslos verbunden,
3. die Lichtwellenleiter sind durch Kunststoff-Lichtwel lenleiter realisiert, vor.

Mit der Aufteilung des Hochtemperatur-Supraleiters in mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete Segmente ist praktisch in einfacher Weise eine individuelle Anpassung an die unter schiedlichsten Strom- und Spannungsbedingungen in den Lei tungsnetzen der Energieversorgung und -verteilung erreicht. Die leitungslosen Verbindungen der Leuchtdioden und der Lichtwellenleiter mit den supraleitenden Segmenten mittels der faseroptischen Sensorköpfe verbessert darüber hinaus zu sätzlich die Reaktionsgeschwindigkeit zur Erfassung des Quenchzustandes. Die Kunstoff-Lichtwellenleiter sind in ihrem Temperaturverhalten als unkritisch anzusehen, so daß bei der Detektierung der Hochtemperatur-Supraleiter-Segmente keine durch Temperaturschwankungen bedingten Störbeeinflussungen ausgehen.

Die Erfindung wird durch zwei figürlich dargestellte Ausfüh rungsbeispiele näher erläutert, wobei die

Fig. 1 die Wirkungsweise der erfinderischen Strombegren zungseinrichtung verdeutlicht, während die

Fig. 2 eine von vielen möglichen Ausführungen zeigt, in dem der Hochtemperatur-Supraleiter durch mehrere supra leitende Segmente gebildet ist.

Die Fig. 1 zeigt eine Strombergrenzereinrichtung mit einem Hochtemperatur-Supraleiter (SL), der in einem mit flüssigem Stickstoff gefüllten Kältegefäß, einem Kryostat (KS), ange ordnet und mit seinen elektrischen Anschlüssen aus dem Kryostat herausgeführt ist. Dabei sind die freien elektri schen Anschlüsse des Hochtemperatur-Supraleiters (SL) derart mit dem Erdpotential und dem Spannungspotential des Leitungs netzes zur Energieversorgung verbunden, daß diese mit dem Schaltgerät (SG) in Reihe vor den Verbrauchern liegen. Das Schaltgerät (SG) selbst dient im Falle eines Überstromes, beispielsweise im Kurzschlußfall, zur Unterbrechung der Ener gieversorgung der nachgeschalteten Verbraucher.

Desweiteren sind parallel zum Hochtemperatur-Supraleiter (SL) außerhalb des Kryostats (KS) der Vorwiderstand (RV) und die Leuchtdiode (LD) und ggf. der Doppelweggleichrichter (DG) vorgesehen, die Abhängig von der Stromgröße im Leitungsnetz ein definiertes optisches Eingangssignal (Es) für den Tran simpedanzverstärker (IV) erzeugen, daß über den Lichtwellen leiter (LWL) an die Photodiode (PD) übertragen wird. Der der artig angesteuerte Tranzimpedanzverstärker (IV) enthält einen Schmitttriger mit einstellbarem Schwellwert, so daß, bei spielsweise mittels eines Halbleiterschalters (TRIAC), das Auslösesignal (AS) für das Schaltgerät (SG) generiert ist und im Überstrombereich die Unterbrechung der Spannungsversorgung erfolgt.

Die Fig. 2 zeigt eine Strombegrenzungseinrichtung, die sich von der in Fig. 1 dargestellten im wesentlichen durch die Aufteilung des Hochtemperatur-Supraleiters (SL, Fig. 1) in mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete supraleitende Segmente (SM . . .) unterscheidet. Mit dieser Aufteilung läßt sich der Hochtemperatur-Supraleiter problemlos an die unter schiedlichen Spannungsebenen und an die verschiedensten Stromwerte in den Leitungsnetzen der Energieversorgung und -verteilung anpassen.

Desweiteren sind der Vorwiderstand (RV, Fig. 1) und die Leuchtdiode (LD, Fig. 1) und ggf. der Doppelweggleichrichter (DG, Fig. 1) in einem gemeinsamen faseroptischen Sensorkopf (FK . . .) untergebracht, der für jedes Segment (SM . . .) separat vorgesehen ist und deren Eingangangssignale (Es) über eben falls separat zugeordnete Lichtwellenleiter (LWL . . .) - wie bei der voran beschriebenen Strombegrenzereinrichtung - an den Transimpedanzverstärker (IV) übertragen werden. Sowie im Leitungsnetz der kritische Strombereich erreicht ist, gene riert der Transimpedanzverstärker (IV), wie bereits vorab be schrieben, das Ausgangssignal (AS), mit dem das Schaltgerät (SG) die Energiezufuhr zu den Verbrauchern unterbricht.

Claims

1. Strombegrenzungseinrichtung mit einem Hochtemperatur- Supraleiter, der in einem mit flüssigen Stickstoff gefüllten Kryostat untergebracht ist, wobei die Strombegrenzungsein richtung in einem Leitungsnetz zur Energieversorgung und - verteilung, insbesondere im Mittelspannungsbereich, in Reihe mit einem Schaltgerät angeordnet ist, das zur Unterbrechung der Spannungsversorgung im Uberstrombereich durch ein Auslö sesignal steuerbar ist, gekennzeichnet durch die Merkmale

1. 1.1 dem Hochtemperatur-Supraleiter (SL) ist eine Leuchtdiode (LD) parallel geschaltet, die mit einem Vorwiderstand (RV) eine Reihenschaltung (RS) bildet,
2. 1.2 das optische Signal (Es) der Leuchtdiode (LD) wird über einen Lichtwellenleiter (LWL) einer Photodiode (PD) übertragen,
3. 1.3 die Photodiode (PD) beeinflusst einen nachgeschalteten Transimpedanzverstärker (IV) im Uberstrombereich derart, daß dieser das Auslösesignal (AS) für das Schaltgerät (SG) generiert.

2. Strombegrenzereinrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal

1. 2.1 die Reihenschaltung (RS) enthält einen Doppelweggleich richter (DG).

3. Strombegrenzereinrichtung nach Patentanspruch 1 und nach den Patentansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Merkmale

1. 3.1 die Leuchtdiode (LD) ist durch zwei antiparallel ge schaltete Leuchtdioden realisiert,
2. 3.2 die Photodiode (PD) ist durch zwei parallel geschaltete Photodioden realisiert,
3. 3.3 die antiparallel geschalteten Leuchtdioden sind mit den parallel geschalteten Photodioden jeweils über separate Lichtwellenleiter (LWL . . .) verbunden.

4. Strombegrenzungseinrichtung nach Patentanspruch 1 und nach den Patentansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch das Merkmal

1. 4.1 die Reihenschaltung (RS) ist außerhalb des Kryostats (KS) angeordnet.

5. Strombegrenzereinrichtung nach Patentanspruch 1 und nach den Patentansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch das Merkmal

1. 5.1 die Reihenschaltung (RS) ist innerhalb des Kryostats (KS) angeordnet.

6. Strombegrenzereinrichtung nach Patentanspruch 1 und nach Patentanspruch 4, gekennzeichnet durch die Merkmale

1. 6.1 der Hochtemperatur-Supraleiter (SL) ist aus mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten supraleitenden Seg menten (SM . . .) gebildet,
2. 6.2 die supraleitenden Segmente (SM . .)sind jeweils mit ei nem die Reihenschaltung (RS) und die Lichtwellenleiter (LWL) aufnehmenden faseroptischen Sensorkopf (FK) lei tungslos verbunden,
3. 6.3 die Lichtwellenleiter (LWL) sind durch Kunststoff- Lichtwellenleiter realisiert.